Einfluß der Aufbereitungstechnologie auf die Eigenschaften des rezyklierten Zuschlags

Dipl.-lng. Dipl.-Wirt.-Ing. Harald Kurkowski
DEUTAG remex, Duisburg
Stofftechnik-,/ Managementsystem-Leiter

Dipl.-lng. Uwe Penzel
DEUTAG remex, Duisburg
Leiter der Technischen Abteilung

1 Einleitung

In der Bundesrepublik Deutschland fallen jährlich ca. 30 Mio. t Bauschutt und 26 Mio. t Straßenaufbruch an [1]. Dieser wird zum größten Teil heute nicht selektiv rückgebaut und fällt daher in unterschiedlicher, stofflich heterogener gemischter Form an. Die Bauschuttaufbereitungsindustrie hat sich darauf eingestellt und bereitet dementsprechend stofflich heterogen zusammengesetzte Massen wie auch selektiv rückgebaute Bauschuttmengen auf. Eingesetzt werden die aufbereiteten Produkte z.Z. vorwiegend im Erd- und Straßenbau. Im Zusammenhang mit einem möglichst qualitativ hochwertigen Einsatz spricht man bei diesen Anwendungsgebieten von einem Down Cycling (Einsatz auf niedriegerer Verwendungsebene). Im Sinne eines hochwertigen Recyclings - auf gleicher Verwendungsebene - muß es daher das Ziel sein, die aufbereiteten Produkte dort einzusetzen, woher sie stammen, z.B. Beton als Zuschlag für Beton. [1]

Als Beispiel für weitestgehend selektiv rückgebaute Bauschuttmassen sei Asphalt, Beton oder aber auch Ziegelmauerwerk genannt. Ziegelmauerwerk wird z.B. insbesondere in den neuen Bundesländern schon in großen Mengen getrennt rückgebaut und auf der Bauschuttaufbereitungsanlage auch getrennt angeliefert. Stofflich gesehen enthält das Ziegelmauerwerk zwei Hauptkomponenten- den Ziegelstein und den Mörtel.

In dem stofflich heterogen zusammengesetzten Bauschutt können u.a. Anteile von Naturstein, Beton, Ziegel, Kalksandstein, Mörtel, Gips, Fliesen usw. enthalten sein. Ob es sinnvoll ist, Bauwerke selektiv rückzubauen oder aber mit den konventionellen Abbruch-methoden abzureißen, entscheidet hauptsächlich die jeweilige Wirtschaftlichkeit der Methode. Die Bauschuttaufbereitungsanlage hat für die Annahme der Massen einen unterschiedlichen Aufbereitungsaufwand und Produktkanäle, welches sich dann auch in den Annahmepreisen widerspiegelt.

Je nach zu lösender Aufbereitungsaufgabe (Menge, Reinheit, Produktqualität usw.) werden mobile, semimobile oder stationäre Aufbereitungsanlagen für Bauschutt eingesetzt. Ein übliches Aufbereitungsschema für eine stationäre Anlage ist in der folgenden Abbildung dargestellt [ 2]. Diese Art der Verfahrenstechnik ist sowohl für stofflich heterogen zusammengesetzte, wie auch für selektiv rückgebaute Massen anwendbar.

Die erzielbaren Produkte oder Produkteigenschaften sind selbstverständlich abhängig von dem jeweiligen Aufgabematerial und der eingesetzten Verfahrenstechnik. Auch die spezielle Aufbereitung von selektiv rückgebauten Baustoffen für ihre ursprünglichen Baustoffverwendung ist oft nur möglich, wenn die aufbereiteten Recycling-Baustoffe sortenrein eingesetzt werden können, z.B. Asphalt in der Asphaltindustrie - damit kommt der Gewinnungstechnik oder der nachträglichen Aufbereitung eine besondere Bedeutung zu.

2 Bauschuttaufbereitung

2.1 Konventionelle stationäre Bauschuttaufbereitung

Das Konzept für eine beispielhafte stationäre Aufbereitung ist im folgenden erläutert. Das Rohmaterial wird in den Aufgabebunker aufgegeben. Mittels Vorabsiebung wird der Anteil von 0/45 mm vom Aufgabematerial abgetrennt. Diese Fraktion wird von magnetisierbarem Schrott mittels Überbandmagnet befreit und kommt dann auf eine Spannwellensiebmaschine.

Die Spannwellensiebmaschine trennt in die Fraktionen Vorabsiebung 0/4 mm und 4/45 mm. Die Fraktion 4/45 mm kann bei entsprechender qualitativer Eignung wieder dem Produktstrom zugeführt werden.

Störstoffe, wie z.B. Holz können per Handsortierung an einer Lesestation aussortiert werden. Die Fraktion 45/X mm geht in den Prallbrecher und wird dort zerkleinert.

Nach dem Prallbrecher entfernt ein Überbandmagnet den Eisenschrott aus dieser Fraktion und das Material wird mittels Siebanlage in die Fraktionen 0/5, 5/8, 8/16, 16/32 und 32/45 mm aufgetrennt. Der Anteil > 45 mm kann dem Prallbrecher erneut für eine weitere Zerkleinerung wieder zugeführt werden. Nach der Siebung wird der Sand 0/5 mm direkt aufgehaldet, während die Fraktionen 5/8 bis 32/45 mm der Sichteranlage zugeführt werden. Hier werden mit Hilfe der trockenen Sichtung Störstoffe wie z.B. Holz, Kunststoffe, Papier, Pappe, Leichtbaustoffe und andere leichte Bestandteile weitestgehend abgetrennt, so daß die mineralische Fraktion übrigbleibt. Je nach Produkt kann diese einzeln aufgehaldet werden oder aber auch als Mineralgemisch, z.B. 0/45 mm, wieder zusammengeführt werden. Je nach Produktvielfalt sind entsprechend Boxen oder Halden vorzuhalten.

Diese Aufbereitungstechnologie hat sich in der Praxis durchgesetzt. Der Einsatz der Windsichtung wird mit dem Begriff ,,Trockenaufbereitung" umschrieben.

Abb. 1 Schema einer stationären Bauschuttaufbereitungsanlage [2]

2.2 Trockenaufbereitung / Naßaufbereitung

Trockenaufbereitungsverfahren haben die anfänglich vorhandenen Naßaufbereitungsverfahren in der Vergangenheit der Bauschuttaufbereitungsindustrie aus technologischen und wirtschaftlichen Gründen für die übliche Herstellung von Produkten des Erd- und Straßenbaues verdrängt. Trockenaufbereitungsverfahren arbeiten heute mit der Windsichtertechnologie. Hier werden unterschiedliche Typen eingesetzt, z.B. der Gegenstromsichter und der Querstromsichter. In der Erprobung befindet sich z.Zt. der Zick-Zack-Windsichter.

Für die Naßaufbereitung seien der Aquamator, der Schnecken-Aufstromsortierer, die Waschtrommel und die Setzmaschine aufgeführt.

Abb. 2: Prinzip eines Windsichters (Gegenstromsichter)

Das Ziel beider Aufbereitungsverfahren ist im wesentlichen die Abtrennung von Störstoffen, um eine ausreichende, aber auch hochwertige Qualität der aufbereiteten RC-Baustoffe zu erzielen.

Der Unterschied der beiden verschiedenen Verfahrenstechnologien besteht in erster Linie darin, daß mittels Windsichter die Störstoffe mit einem Luftstrom, der reguliert werden kann, entfernt werden.

Bei den Naßaufbereitungsverfahren wird der Recycling-Baustoff durch ein Wasserbad geführt. Störstoffe schwimmen im Wasserbad auf - weil sie ja leichter als Wasser sind - und können vom Endprodukt abgetrennt werden.

Beide Verfahren nutzen das Prinzip der unterschiedlichen Dichte der Stoffe bei der Aufbereitung. Bei der Trockenaufbereitung werden leichte Stoffe mittels Luftstrom ausgetragen, während bei der Naßaufbereitung leichte Stoffe aufschwimmen. In der folgenden Tabelle sind die prinzipiellen Unterschiede von Trocken- und Naßaufbereitung zusammengestellt:

Abb.3: Prinzipielle Unterschiede der Trocken- und Naßaufbereitung

Beide Verfahrenstechnologien haben sich in der Praxis bewährt. Die Windsichtertechnologie hat sich aber in der Vergangenheit durchgesetzt, da hier - im Gegensatz zur Naßaufbereitung - kein Wasserkreislauf notwendig ist und damit auch keine Schlammaufbereitung. Beide Punkte führten dazu, daß die Naßaufbereitung bei Bauschutt heute nicht mehr üblich ist, obwohl sie auch eine Reihe von Vorzügen hat. Wenn es für bestimmte Qualitäten beispielsweise zukünftig notwendig ist, Mineralkörnungen ohne Anhaftung von Feinststoffen herzustellen, bieten Waschverfahren Vorteile. Weiterhin, als besonderer Vorteil der Naßaufbereitung, sei genannt, daß die Störstoffe bis nahezu 100 % aus dem aufbereiteten Gut entfernt werden können. Es ergeben sich daher aus Sicht des Baustoffaufbereiters folgende Vor- und Nachteile der Verfahren:

Abb. 4: Vor- und Nachteile der Trocken- und Naßaufbereitung

3 Einsatz einer Setzmaschine für die Bauschuttaufbereitung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens ,,Baustoffkreislauf im Massivbau" wurde in einem von der remex betreuten Projekt die Naßaufbereitung von Bauschutt mit einer Setzmaschine großtechnisch untersucht. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es nicht nur, Holz, Kunststoffe, Papier, Pappe - also die Störstoffe - mit dem Naßaufbereitungsverfahren abzutrennen, sondern mit Hilfe der Setzmaschinentechnologie ein aufbereitetes Bauschuttrecyclingmaterial in mehrere stofflich homogenere Fraktionen aufzutrennen.

Die Setzmaschinentechnologie ist im wesentlichen von der Kohleaufbereitung her bekannt. Hier trennt sie die Kohle vom Nebengestein ab. Die Dichteunterschiede der zwei herzustellenden Fraktionen sind bei diesem Verfahren jedoch relativ groß. Setzmaschinen werden heute aber auch eingesetzt bei der Kiesaufbereitung (Abtrennung von organischen Verunreinigungen) und in der Erzaufbereitung.

Das Grundprinzip der Setzsortierung ist, daß ein Stoffgemisch pulsierend von Wasser durchströmt wird. Als Folge der Pulsation schichtet (setzt) sich das Stoffgemisch nach der Dichte, d.h. schwere Partikel reichem sich im unteren Bereich des Wasserbades an, während sich leichte Partikel im oberen Teil anreichern. Liegen große Dichteunterschiede vor , ist es leicht eine Trennung herbeizuführen. Großtechnische Anlagen arbeiten in den angegebenen Bereichen mit großen Durchsatzraten von bis zu 800 t/h.

Entscheidend für die Trennschärfe von Setzmaschinen ist:

• der Dichteunterschied im Stoffgemisch
• die Massenanteile der einzelnen Dichtefraktionen
• die Kornform
• die Art der Wasserbewegung
• die Austragsvorrichtung zum kontinuierlichen Austragen der jeweils schwersten Stoffschicht.

Abb. 5: Schema einer Setzmaschine

Die Hauptkomponenten von Recycling-Baustoffen liegen hinsichtlich ihrer Dichte in der Praxis etwa in den folgenden Bereichen:

• Naturstein 2,5 bis 3,0 g/cm³
• Kies 2,6 bis 2,7 g/cm³
• Beton 2,2 bis 2,5 g/cm³
• Mörtel 2,2 bis 2,4 g/cm³
• Ziegel 1,8 bis 2,4 g/cm³
• Leichtbeton 1,2 bis 1,8 g/cm³
• Bims 1,0 bis 1,4 g/cm³
• Kunststoffe 1,0 bis 1,4 g/cm³
• Sonstige Störstoffe 1,0 g/cm³

Die Dichteunterschiede der einzelnen stofflichen Bestandteile von Recycling-Baustoffen sind teilweise relativ gering und überschneiden sich bei den Hauptkomponenten. Das angesprochene Forschungsthema sollte klären, in wie weit stofflich heterogene Recycling-Baustoffe in stofflich homogenere Fraktionen durch Dichtesortierung mittels Setzmaschine getrennt werden können.

Einen Auszug der Untersuchungsergebnisse stellen die folgenden Ausführungen dar. Das Aufgabematerial stellte ein stofflich heterogener RC-Baustoff der Körnung 0/32 mm dar.Das Ausgangsmaterial wurde herkömmlich aufbereitetet mittels Windsichtertechnologie und danach auf die Setzmaschine aufgegeben. In einem ersten Aufbereitungsschritt wurde ein ,,Schwergut 1" erzielt, welches immer noch einen stofflich heterogenen RC-Baustoff der Körnung 4/32 mm darstellt sowie ein ,.Leichtgut 1", in dem sämtliche Störstoffe, die aufschwimmbar sind, enthalten sind. In diesem Aufbereitungsschritt wurde auch der Sand 0/4 mm abgetrennt, der dann in gewaschener Form vorliegt. Das erzielte „Schwergut 1" wurde erneut aufgegeben und in „Schwergut 2" der Fraktion 4/32 mm, welches naturstein- und betonangereichert sein sollte, und in ein „Leichtgut 2", welches möglichst ziegelangereichert sein sollte, der gleichen Körnung aufgetrennt.

Abb. 6: Aufbereitung von stofflich heterogenen RC-Baustoffen mittels Setzmaschine; Sortierschema

Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
In der folgenden Abbildung ist die stoffliche Zusammensetzung eines eingesetzten dichtesortierten RC-Baustoffes 4/32 mm dargestellt. Das Ausgangsmaterial ,,Schwergut 1" enthielt einen Betonanteil von 52,8 Gew.-%, einen Ziegelanteil von 21,1 Gew.-%, einen Natursteinanteil von 21,8 Gew.-% sowie einen Anteil Sonstiges von 4,3 Gew.-%. Dieses Ausgangsmaterial wurde in die Fraktionen ,,Schwergut 2" und ,,Leichtgut 2" aufgetrennt. Wie man der Abbildung entnehmen kann, konnte das ,,Schwergut 2" - der Betonanteil - auf 57,8 Gew.-% gesteigert werden. Auch der Natursteinanteil konnte auf 34,9 Gew.-% gesteigert werden. Der Ziegelanteil sank in diesem Material auf 4,4 Gew.-% so wie auch der Anteil Sonstiges auf 2,9 Gew.-% sank. ,,Schwergut 2" stellte damit ganz klar eine betons und natursteinangereicherte Fraktion des Ausgangsmaterials dar. Im ,,Leichtgut 2" reicherte sich das Ziegelmaterial an - allerdings nicht in der Größenordnung, wie eigentlich gewünscht. Der Betonanteil war hier noch mit 50 Gew.-% vertreten, der Ziegelanteil wurde auf 35,4 Gew.-% gesteigert. Es war ein Natursteinanteil von 7,1 Gew.-% vorhanden, der Anteil Sonstiges erhöhte sich auf 7,5 Gew.-%. Die mechanischen Eigenschaften dieser drei Materialien veränderten sich wie folgt:

Abb. 7: Mechanische Eigenschaften der dichtesortierten RC-Baustoffe 4/32 mm

In der Tabelle fällt auf, daß die Rohdichte vom ,,Schwergut 1" von ursprünglich 2,441 im „Schwergut 2" auf 2,547 anstieg und im „Leichtgut 2" auf 2,371 ermäßigt wurde. Diese Ergebnisse stehen in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der stofflichen Zusammensetzung. Der Schlagzertrümmerungswert und der Widerstand gegen Frost-Tau-Wechsel konnte insbesondere bei ,,Schwergut 2" deutlich verbessert werden, währenddessen natürlich bei ,.Leichtgut 2" diese zwei Parameter sich verschlechterten.

Die Bewertung dieser erzielten Ergebnisse ist abhängig von den Einsatzgebieten der entsprechenden Fraktionen. Möchte man ,,Schwergut 2" als Betonzuschlagstoff einsetzen, so wird dies nach heutigem Kenntnisstand voraussichtlich für Normalbeton für Innen- und ggf. für Außenbauteile der Klasse B 1 möglich sein. Die Verwendung von ,,Leichtgut 2" kann nach heutigen Maßstäben sicherlich als Verfüllmaterial oder als Tragschicht für den untergeordneten Straßenbau erfolgen. Das Ziel aber, hiermit eine ziegelangereicherte Fraktion mit einem Anteil an Ziegel von mindesten 70 Gew.-% zu erreichen, konnte unter den gegebenen Umständen nicht erreicht werden. Ein Einsatz z.B. in Leichtbeton ist daher fraglich.

Ausblick

Die Dichtesortierung mittels Setzmaschine stellt für die Bauschuttaufbereitung eine interessante Verfahrenstechnologie dar. Mit den durchgeführten Untersuchungen läßt sich aufzeigen, zu welchen Sortierergebnissen diese Technologie in der Lage ist. Ein stofflich heterogener RC-Baustoff läßt sich in mehrere stofflich homogenere Fraktionen auftrennen. Die damit erzeugte Schwergutfraktion aus einem stofflich heterogen zusammengesetzten RC-Baustoff ist beton- und natursteinangereichert. Wie sich in der erzeugten Leichtgutfraktion eine Anreicherung des Ziegelanteils feststellen läßt. Die Beziehung der hohen Dichte von der höheren Festigkeit des RC-Baustoffes in der Schwergutfraktion konnte nachgewiesen werden.

Zum jetzigen Zeitpunkt werden fortführende Untersuchungen mit den hergestellten Materialien an der Technischen Hochschule Darmstadt in einem weiteren Projekt des Gesamtvorhabens ,,Baustoffkreislauf im Massivbau" fortgesetzt. Hier geht es darum zu ermitteln, ob die erzielten mechanischen Ergebnisse ausreichen, um daraus einen Betonzuschlag herzustellen. Das gilt sowohl für das Material ,,Schwergut 2" wie auch für das ,,Leichtgut 2". Andere hochwertige Anwendungsgebiete könnten dann folgen.

Die Frage der Wirtschaftlichkeit eines solchen Verfahrens ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht endgültig geklärt. Diese wird stark abhängig sein von den möglichen Anwendungsgebieten der einzelnen Fraktionen und damit auch vom jeweiligen Aufgabegut für die Aufbereitung.

Literatur

[1] Kohler, Guntram: Kreislaufwirtschaft Bau: Anforderungen, Mittel, Lösungswege, in: Kohler, Guntram (Hrsg.): Recyclingpraxis Baustoffe, Verlag TUV Rheinland, KöIn,3. Auflage, 1997

[2] Penzel, Uwe; Kircher, Rolf: Technik der Aufbereitung, in: Kohler,Guntram (Hrsg.): Recyclingpraxis Baustoffe, Verlag TUV Rheinland, Köln, 3. Auflage, 1997

[3] Jungmann, A.; Neumann, Th.: alljig-Setzmaschinen zur Abtrennung schädlicher Bestandteile aus Kies, Sand und Recycling-Material, Aufbereitungs-Technik, 32. Jahrgang, Heft 1, 1991

[4] Mesters, Klaus: Großtechnische Aufbereitung von RC-Baustoffen mittels Dichtetrennung, K&M Beratungsgesellschaft mbH für Straßenbau und Umwelttechnik, Bericht Nr. FE 961211 im Auftrag der STRABAG-DEUTAG Bau-, Baustoff- und TECHNIK GmbH, Köln, unveröffentlicht, Februar 1997

[5] Kohler, Guntram: Recyclingzuschläge für Stahlbeton, Vortrag anläßlich des Deutschen Betontages im April 1997